纳米银改性纤维素气凝胶的制备及其性能研究

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4-硝基苯酚(4-NP)作为工业废水中主要危险污染物的一种,具有极高的溶解度和稳定性,因此,消除4-NP是污水净化过程中的一项必不可少的环节。化学沉淀、物理吸附及催化降解等常见的4-NP消除技术已被广泛用于工业废水的净化过程,其中,利用金属催化还原技术进行还原降解4-NP不仅是一种高效地方法,同时具备能耗低,效率高及普适性强等诸多优点。银纳米颗粒(Ag NPs)在催化还原反应中表现出高选择性和快速电子传递的特点,能够高效地将有毒有害的4-NP催化还原成重要的化工原料4-氨基苯酚(4-AP),然而,由于Ag NPs表面能高,在实际应用中存在团聚而失活的稳定性问题。Ag NPs可以与聚合物、粘土及碳基材料等多种载体材料结合制备复合材料,复合材料的制备可以大大降低Ag NPs的自团聚问题。纳米纤维素气凝胶(NCAx)材料具有孔隙率高、比表面积大、稳定性强、绿色环保可再生、机械性能优异等诸多优点,这些性能优势使其成为Ag NPs载体材料的绝佳选择。为了兼顾高的比表面积与Ag NPs的高催化效率,本论文以微晶纤维素(MCC)为原材料,离子液体为溶剂体系,通过溶胶-凝胶法制备得到绿色可降解的纳米纤维素水凝胶(NCHx),并以NCHx为载体材料,通过化学原位还原的方法生成并负载Ag NPs,制备得到Ag NPs改性纤维素水凝胶催化剂材料(NCHxa);在NCHx和NCHxa的基础上,以叔丁醇为冻干剂,通过低温冷冻干燥技术制备得到纤维素气凝胶载体材料(NCAx)和Ag NPs改性纤维素气凝胶(NCAxa)催化剂材料。通过偏光显微镜,X射线衍射和电子万能拉力试验机等表征手段对NCHx的成型过程,晶体结构以及压缩强度进行了分析与研究;通过比表面积测试法、电子万能拉力试验机、傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱、广角X射线衍射及电感耦合等离子体发射光谱等表征手段对NCAx载体材料的比表面积、孔径大小、孔径分布、机械及负载性能进行了分析与研究。通过使用紫外分光光度计、场发射扫描电子显微镜及透射电子显微镜对NCHxa和NCAxa两类催化剂材料的催化活性及微观结构进行了分析与研究。实验结果表明,溶胶-凝胶法制备得到的NCAx载体材料具有较大的比表面积和较高的孔隙率,当MCC组分含量为5%时,气凝胶的比表面积高达93.944 m~2/g,孔隙率高达97.05%,透射电镜表明Ag NPs在纤维素上分布较为均匀,且颗粒大小在10nm左右,NCAxa催化剂材料在4-NP的催化还原实验中表现出较高的催化活性和较快催化速率,当4-NP的浓度为0.06 mmol/L时,Ag NPs质量分数为3.0978%的气凝胶可在13 min内完成96.87%的催化。本研究成功制备了一种纳米银改性纤维素气凝胶催化剂材料,不仅证明了离子液体[Bmin]Cl/DMF可以很好的溶解MCC制备纤维素纳米材料,并将Ag NPs通过化学原位还原的方法负载至纤维素水凝胶表面与内部,叔丁醇结合冷冻干燥技术制备出具有较大孔隙率和比表面积的NCAx载体材料和NCAxa催化剂材料,同时证明制备得到NCAxa催化剂材料对有机水体污染物4-NP有着较好的催化还原效率。
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